目前许多水量模型中都有一个假设，认为虽然降水等特征值是变动的，然而对一个整体而言，降水总量是稳定态的。如果没有这个假设，那么很多我们现在运用的模型都不再适用。虽然在研究中会设定一些常量，但是在现实中变化却是水资源管理中永恒不变的主题，一直以来人们都在探索如何应对动态变化，实现水环境的可持续发展。Paul Milly、Julio Betancourt等于2008年在著名期刊《Science》上发表了论文《Stationarity Is Dead：Whither Water Management?》，这篇经典文章的作者们认为基础设施的建设应该把更多的外部因素考虑在内。就城市环境而言，与非平稳性相关的驱动因素包括气候变迁、社会经济变化以及最重要的--土地利用的变化。灵活的基础设施设计能通过逐步引入替代方案，更好地应对城市水资源系统运行条件的改变。这些替代方案大多是分散式的、基于自然的方案。应对长期规划和灵活基建概念带来的复杂性，我们需要可靠和精妙的整合式的城市水模型。澳大利亚和奥地利的研究者以澳大利亚墨尔本为研究对象，对他们开发的一个水模型进行验证，他们的研究成果发表在2017年12月的IWA期刊《Water Research》上。
项目背景
尽管大家都认同水模型需要将城市与其水基础设施作为相互连结的系统来考虑，这些关联的功能性描述依然处于早期发展阶段，这个总体系统一般分割为两大子系统：生物物理系统(biophysical system，由城市发展和水基础设施组成)和社会系统(societal system)。
在这样的背景之下，欧盟著名的第七科研框架计划(7th Framework Programme)曾拨款1000万欧元，召集35个合作伙伴，开设了一个为期4年的研究项目，目的是为全球各地的水资源系统找到更具弹性的战略来应对不断变化的环境。
这个项目涵盖了水系统的许多方面，包括学术、实践和技术等，并将7个任务范围写进了项目计划中。其中一个子项目叫“Prepared enabling Change”，他们邀请澳大利亚莫纳什大学(Monash University)和奥地利因斯布鲁克大学(Innsbruck University)参与其中，开发一个基于实际场景的水管理工具，来解决城市基础设施的动态变化问题，以此积极应对水系统中社会和环境变化的驱动因素。
除了上述机构的学者，这个项目还得到了墨尔本水务(Melbourne Water)的工程师参与，他们将这个项目命名为是Dynamic Adaptation for Enabling City Evolution for Water，简称"DAnCE 4 Water"，颇有“为水起舞”的含义。
研究方法
对城市水管理长期变迁的模型搭建需要将基础设施、城市发展和社会体系三个紧密相联的子系统都考虑在内。这个模型要像一个网络，通过一个数据库作指挥中心，使信息能随时在各系统间传递。
▲ 图1. DAnCE4Water模型的总框架
这个模型的关键模块包括：
社会变化模块 (STM-Societal TransitionsModul)
城市发展模块 (UDM-Urban Development Module)
生物物理模块 (BPM- Bio-physical module)
上述三个模块都有已开发的模型，这个研究的亮点在于将这些既有模块进行整合，并提供相关环境条件的场景，例如水资源的动力学、气象情况、人口变化和土地利用模式。这些信息以“场景“的形式作为输入模块连接到指挥中心，通过先进的路径设置去分析、汇报和展示模拟结果。开发者的目的是通过这个框架使用户能探索在几十年的时间段内政策和管理措施的未来场景和影响，在动态演变的环境去探索各种“What-if”场景的模拟结果，找到最具适应性和符合可持续发展思想的发展战略。他们将这种方法称为探索性建模，是对广泛未知行为和非平稳态系统的标准规划方法。
上表展示了模型数据的转化和使用。读取(Read)：用作输入的数据;定义(Define)：被定义的数据时间序列，用于表示可能的未来情况;修改(Modify)：在模拟中被修改的模型变量数据;创建(Create)：新信息。模型初始结果是基础设施的演化和相应绩效值。
模型应用和案例研究
具有如此复杂度的模型显然不能用标准的系统分析来评估。尽管如此，验证工作还是很有必要的，因此研究团队选择将模型和一个城市水系统的历史发展模式作对比，从而展示模型生成的场景，复制该城市的城市系统、社会系统和雨洪管理系统的演变。他们选择了澳大利亚墨尔本的一个集水区Scotchmans Creek作为研究对象(如下图)。
该地区原本是一个郊外的居民住宅区，面积约10.4 k㎡，人口约在2.6万。到2010年，城市化进程使得该地区的不透水面积增至38%，生态健康严重倒退。这些是墨尔本东部郊区的城市演变的典型特征：基流很低但雨水会造成骤洪(flash flooding);混凝土衬砌渠道和原生河岸植被的损失导致该地区水质差，并影响了下游的雅拉河(Yarra River)和菲利普港湾(Port Phillip Bay)。水敏型城市设计(water sensitive urban disign, WSUD)的引进帮助改善了该地区的生态健康，将污染物在进入Scotchmans Creek之前就移除出地表径流。
这个案例研究的时间跨度长达50年(1960-2010)，涵盖了城市发展、集中式基础设施建设、引进水敏性城市设计技术等关键阶段(城市发展的重建数据只有1972年之后的资料)。他们将该地区与雨洪管理发展的相关资料进行整理，并按时间整理成表格的形式来叙述。
除了城市发展，上面的Scotchmans Creek发展变化图也描述了水基础设施的演变。如图所示，在过去大部分都是采用采用管网运输的集中处理方式，直到在上世纪90年代水敏型城市设计技术的兴起。大部分的水敏型城市设计系统都聚集在南部，而且都是大规模的系统。
为了模拟Scotchmans Creek集水区的历史发展，研究人员对DAnCE4Water三个模块的起始状态和输入场景分别进行了初始设置，从而反映1960年(STM社会变化模块)和1972年的情况(UDM城市发展模块和BPM生物物理模块)。每个场景都从历史数据获得，模拟时期为1972年-2012年。模型指挥中心设置的时间步长为一年。
结果讨论
尽管设置的时间步长为一年，根据算法需要，每个模块内部计算的实际步长都比一年要短。尽管在模拟运算中，三个模块相互连接并在每个时间步长中都交换信息，但为了更好地展示模型还原现实的能力，研究人员对每个模块的结果进行了分开阐述。
城市形式的变化
在 1972-1982年间，UDM模块在该地区的北部和东部开发土地以适应城市人口的增长(如下图所示)。1982年之后，土地进一步开发，商业用地变为住宅用地。研究团队用500x500网格分析1972-1982年间的空间变化，其建筑数目和总屋顶面积的空间对比显示决定系数R2值分别为0.80(建筑数)和0.79(屋顶面积)。而到了2010年，R2改善提高到0.87(建筑数)和0.87(屋顶面积)。这些结果显示模型可以复制城市发展形式。
水处理技术的社会选择
社会变化模块(STM)模拟出6组有可能被采纳的技术方案群(clusters)，每组对应一个可量化且显著的历史发展方向。根据对历史数据的分析，Cluster2被认为是最匹配的选择。而该方案很好地展现了在1970年代初，生态健康需求的增强而促使分散式处理技术开始被采纳(如下图所示)。而在2005年前后，因为清洁水道的需要而得到发展的另一段分散式技术的增长期也得到了相似度很高的模拟。
雨洪基础设施的建造和表现
生物物理模块(BPM)的集中式城市污水基建模型模拟了1972年-2010年污水管网的发展(不包括室内管系)。图6上半部显示了1982年管网系统的情况，可以看出模拟结果和实际情况有很好的相似度。
BPM模块的分散式基础设施部分评估了许多不同的水敏城市设计(WSUD)的方案。基于上述的STM模块中的Cluster2，BPM筛选出10个最适合的配置类型。如下图7所示，集成模型生成的分散式技术的选址与实际的现有系统的地址相似。
然而，有两点差异：第一，模拟的系统密度更高，原因是选用的空间分布算法使用500mx 500m的网格尺寸。这可能会漏掉本来可用于WSUD方案的细分可用空间，如今因为不在选定网格里而没有被考虑在内。第二，模型有些选址是实际数据中没有的。其中一个可能的解释是，从历史角度来看，在过去这些特定空间由于技术以外的原因无法实施WSUD方案，例如政治压力、规划重叠、土地所有权以及其他规定等。
就这点而言，研究团队决定不过度束缚模型，相反，对模型做出的不同选择进行评估。模型可以模拟在过去10年WSUD实践的普遍模式：例如图8中展现了自2004年WSUD逐渐成为主流后，生态健康需求的增加是如何带动了生物滞留设施的应用。池塘与湿地的相互作用更多变(图中的灰色区域)，这可能是因为他们在STM的分类相似导致的。尽管如此，下图显示模拟结果(蓝线)与观察数据还是相似的。
DAnCE 4 Water在规划过程中的使用
DAnCE 4 Water给非平稳性的基础设施系统规划赋予了一系列全新的整合性和灵活性。通过算法来模拟生成城市水管理场景是它独特的优势之一，这能帮助规划者测试不同未来场景下的政策、规划以及基础设施的有效性。
例如研究人员曾使用DAnCE4Water的框架 (图1中的部分模块) ，对城市环境和水设施进行共同演化的模拟，以此检验土地利用和分布式的存储方案能否在未来30-50年的时间内在不同的人口增长和气候变化条件下缓解日渐增长的骤洪影响。在政策制定方面，也有研究人员应用DAnCE 4 Water来考察在不同条件下经济奖励措施对雨水回收池普及的有效性。
这些应用显示，使用像DAnCE 4 Water这样复杂的集成模型需要大量的数据以及行内专业知识。开发更简易、更稳固和用户友好型的方法和工具将更有利于探索性规划的普及。
总结
这篇论文给我们展示了DAnCE 4 Water这个全新组合模型以及它在城市水系统动态变化中的应用。澳大利亚的案例研究展示了该模型可以成功地复制模拟一个地区长达50年的社会、城市和生物物理的动态变化。
值得注意的是，DAnCE 4 Water需要对许多不同的场景条件进行分析才能模拟出跟现实接近的情况。这是因为城市水系统本身终究是一个复杂的过程，由于它自身具有高度的不确定性，百分百地预测未来几乎是不可能的事情。DAnCE 4 Water主要还是要帮助用户思考未来规划设计的解决方案，考虑基础设施在不同情形下的灵活性，辨识出哪些方案能在一系列的未来条件下维持正常运作。
这个理念体现的是对未来规划的探索性方法，DAnCE 4 Water正是对这种理念的尝试——通过一个结合了城市发展形式、水基础设施变化和社会制度变迁的清晰的空间分布模型来对一个地区进行探索性的规划。
这个工具的创新点在于将各种因素都整合到单个模型中，并对城市基础设施的发展进行长时间的模拟，从而反映社会、城市和水系统之间的协同作用。目前这个模型仅限于城市雨洪管理的演变，包括通过管网排涝系统的防洪、地表径流的水质管理和雨水回收。
目前， DanCE 4 Water两个在运作的主要模拟包括“Melbourne 2030可持续发展规划“和“墨尔本作为具备调适能力的水敏城市”。研究团队还会继续这些案例的研究，并与其他相关城市项目进行对比。通过这些模拟研究，对软件工具进行优化改进。
参考资料
Modelling transitions in urban water systems, W. Rauch, C. Urich, P.M. Bach, B.C. Rogers, F.J. de Haan, R.R. Brown, M. Mair, D.T. McCarthy, M. Kleidorfer, R. Sitzenfrei, A. Deletic, Water Research, Volume 126, 1 December 2017, Pages 501-514, https://doi.org/10.1016/j.watres.2017.09.039
原标题：DAnCE 4 Water--为水起舞：基于实际场景的水敏性城市设计模型
